Introduction au model-checking et application à la vérification des protocoles cryptographiques

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1 Introduction au model-checking et application à la vérification des protocoles cryptographiques Prof. John MULLINS École Polytechnique de Montréal Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 1 / 1

2 Contenu de la présentation Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 2 / 1

3 Introduction Pourquoi cet exposé devant des élèves ingénieurs? Importance croissante des outils de vérification des systèmes matériel et logiciel pour l industrie des technologies de l information pour les logiciels critiques Impact de ces outils sur leur processus de conception et d implémentation (Siemens, AT&T, Intel,... etc.) Transfert technologique de la recherche vers l industrie via l académique Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 3 / 1

4 Pourquoi vérifier? Introduction Le logiciel est un objet : Virtuel Multifonctionnel Infini Régi par des lois mathématiques Modèles mathématiques Logique algébrique Théorie des automates Sémantique des langages de programmation Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 4 / 1

5 Introduction Modéliser la communication Modèle d un programme séquentiel : P : Store Store Modèle de P 1 ; P 2 : P 1 P 2 La logique classique suffit Modélisation de composantes communicants : non-déterminisme P1 et P1 ont le même comportement entrée-sortie : P1 : x := 0 ; x := x+2 P1 : x := 0 ; x := x+1 ; x := x+1 P2 : x := 0 P1 P2 peut être soit 0, soit 2 P1 P2 peut être soit 0, soit 1, soit 2 Dépend de l ordre d exécution des énoncés Besoin de la logique temporelle Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 5 / 1

6 Introduction Model-checking in a nutshell?cents?m : Réception de m!m : Émission de m Served idle!served M1?back?back Serving?push?cents M2 Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 6 / 1

7 Introduction Model-checking in a nutshell (suite) ~M, ~S ~M, ~S M, S ~M, ~S M, ~S Variables propositionnelles : Money et Served F φ est vrai sur une séquence d états s il existe un état de la séquence où la propriété φ est vrai G φ est vrai sur une séquence d états si φ est vrai dans tous les états de la séquence Chaque fois que j ai mis deux 25 cents, alors, plus tard, j obtiendrai un café G(Money FServed). Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 7 / 1

8 Modélisation Systèmes de transitions Un canal FIFO in(b) in(a) bb ba out(b) out(a) in(b) in(a) b out(b) out(a) a in(b) in(a) out(a) out(b) ab aa Σ = {a, b} États : mots de Σ 0 Σ 1 Σ 2 Actions : enfiler une lettre si le buffer n est pas plein défiler une lettre si le buffer n est pas vide Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 8 / 1

9 Une variable Modélisation Systèmes de transitions b=vrai! b :=faux b=faux! vrai faux b :=vrai b :=vrai b :=faux Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 9 / 1

10 Modélisation Un programme séquentiel Systèmes de transitions 1 :while true do if not b then begin 2 : b :=true ; 3 :proc ; 4 :b :=false ; end. b=vrai? b=faux? 1 2 b :=faux 4 proc 3 b :=vrai Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 10 / 1

11 Définition Modélisation Systèmes de transitions Un système de transitions étiquetées est un triplet A = (S, T,Σ) où S est un ensemble d états T S Σ S est l ensemble des transitions Σ : un alphabet d actions Notation : Transition : s 1 s 2 a a Chemin : s 1 a 2 a 3 1 s2 s2 Trace : a 1 a 2 a 3... Algèbre de chemins Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 11 / 1

12 Modélisation Systèmes de transitions synchronisés Produit libre de systèmes de transitions Le produit libre A 1 A 2 de deux systèmes de transitions A 1 = (S 1, T 1,Σ 1 ) et A 2 = (S 2, T 2,Σ 2 ) est le système de transition A = (S, T,Σ) défini par S = S 1 S 2 T = {(s 1, s 2 ) (a 1,a 2 ) (s 1, s 2 ) : s a 1 1 s a 1 T 1 et s 2 2 s 2 T 2 ou bien a 1 = et s 1 = s 1 ou bien a 2 = et s 2 = s 2 } Σ = (Σ 1 { }) (Σ 2 { }) Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 12 / 1

13 Modélisation Systèmes de transitions synchronisés a b Exemple : 0 a 1 b 0 00 a, a,b,b 10,b 1 01 a, 11 Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 13 / 1

14 Modélisation Systèmes de transitions synchronisés Produit synchronisé des systèmes de transitions Definition Une contrainte de synchronisation Sync (Σ 1 { }) (Σ 2 { }) établit l ensemble de toutes les actions globales permises. Example Sync = {(a, b)} Definition Le produit synchronisé A 1 Sync A 2 de A 1 et A 2 par rapport à Sync est le système de transition A 1 A 2 restreint aux seules transitions étiquetées par une action de Sync. Example a b {(a,b)} = a,b Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 14 / 1

15 Exemple Modélisation Systèmes de transitions synchronisés b=1! b :=1 b :=0 1 0 b :=1 b=0! b :=0 b=1? 1 b=0? 2 b :=0 b :=1 4 proc 3 Sync = {(b := 1, b := 1), (b := 0, b := 0), (b = 1?, b = 1!), (b = 0?, b = 0!), (proc, )} b=1?,b=1! b=0?,b=0! 02 b:=1 b:=0 b:=1 b:=0 14 proc, proc, 03 Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 15 / 1

16 Modélisation Mécanismes de synchronisation Systèmes de transitions synchronisés Synchronisation par messages synchronisation se fait sur les actions complémentaires m! (émission) et m? (réception) Synchronisation par canal Deux composantes P0 et P1 Canal de communications FIFO C Système global : P 0 C P 1 Synchronisation par variables partagées Deux composantes P0 et P1 Variable globale B Système global : P 0 B P 1 Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 16 / 1

17 Modélisation Systèmes de transitions synchronisés L algorithme d exclusion mutuelle de Peterson Var. partagées : d0, d1 (init. à faux) et tour (init. à 0). Le processus P 0 exécute le code suivant : while true do begin 1 :{section non critique} 2 :d0 :=true ; 3 :tour :=0 ; 4 :attendre(d1=false or tour=1) ; 5 :{section critique} 6 :d0 :=false end P 1 exécute le code symétrique obtenu en permutant 0 et 1 P 0 P 1 D 0 D 1 T contient 288 états Vérifie l exclusion mutuelle si aucun état de la forme n est accessible de l état initial (5, 5,,, ) Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 17 / 1

18 Logique Propriétés temporelles des systèmes Tout système de transition représentant l algorithme de Peterson doit vérifier que : il n existe aucun état (global) où les deux processus sont en même temps en section critique il n existe aucun deadlock s il existe un état où un processus essaie de rentrer dans la section critique alors il existe un état accessible de cet état où ce processus est en section critique il n existe pas de chemin infini constitué uniquement de transitions où les deux processus essaient de rentrer en section critique et n y entrent jamais (vivacité). Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 18 / 1

19 Formules d états Logique Example S : Un ensemble d états Un ensemble de propriétés atomiques : Prop = {P 0, P 1, P 2,..., P n } Soit P sc0 (resp. P sc1 ), la proposition atomique vérifiée dans les états globaux où le processus P 0 (resp. P 1 ) est en section critique. Example Fonction d interprétation : ρ : S 2 Prop Formules d états φ ::= P φ φ φ s = P ssi P ρ(s) s = φ ψ ssi s = φ et s = ψ s = φ ssi s = φ s = P sc0 P sc1 ssi P 0 et P 1 sont en section critique Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 19 / 1

20 Logique Formules temporelles linéaires A = (S, T) : Un système de transitions (non étiquetées) Un ensemble de propriétés atomiques : Prop = {P 0, P 1, P 2,..., P n } Fonction d interprétation : ρ : S 2 Prop φ ::= P φ φ φ Nφ φuφ Soit c = t 1...t n A, c = P ssi P ρ(t 1 ) A, c = φ ψ ssi A, c = φ et A, c = ψ A, c = φ ssi A, c = φ A, c = Nφ ssi c = t c et A, c = φ A, c = φuψ ssi A, c = ψ ou Il existe un entier n tel que c = t 1... t nc avec A, c = ψ et pour tout i {1,..., n} on a, A, t i... t nc = φ Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 20 / 1

21 Logique Exemples 1 t1 {p, q, t} t2 t3 t4 {p, q, r} {p, s} {p, r} A, t 1 (t 2 t 3 t 4 ) ω = r s A, t 1 (t 2 t 3 t 4 ) ω = N (p s) A, t 1 (t 2 t 3 t 4 ) ω = NN s A, t 1 (t 2 t 3 t 4 ) ω = q U s A, t 1 (t 2 t 3 t 4 ) ω = s U q A, (t 2 t 3 t 4 ) ω = (p U t) 2 Soit A = P 0 P 1 D 0 D 1 T alors l algorithme de Peterson satisfait la propriété d exclusion mutuelle ssi A, c = (1U (P sc0 P sc1 )) pour tout chemin c à partir d un état initial. Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 21 / 1

22 Logique Opérateurs temporaux auxilliaires t1 {p, q, t} t2 t3 t4 {p, q, r} {p, s} {p, r} φ Def = 1Uφ (Inéxorablement φ) Ex : A, t 1 (t 2 t 3 t 4 ) ω = p φ Def = φ (Toujours φ) Ex : A, t 1 (t 2 t 3 t 4 ) ω = p Quelques schémas de formules utiles 1 A, c = φ ssi il existe une infinité de suffixes c 2 de c tel que A, c 2 = φ. Ex : A, t 1 (t 2 t 3 t 4 ) ω = (q Us) 2 A, c = φ ssi il existe un nombre fini de suffixes c de c tels que A, c = φ Ex : A, t 1 (t 2 t 3 t 4 ) ω = t Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 22 / 1

23 Logique Model-checking, réalisabilité et validité 1 φ réalisable s il existe A tel que pour tout c on a A, c = φ. A est un modèle de φ Entrée : φ Sortie : il existe un modèle de φ, oui ou non Problème de synthèse d un système à partir de φ (p Nq) est réalisable 2 φ est valide si pour tout A, A est un modèle de φ φ est un théorème Entrée : φ Sortie : une preuve de φ (axiomes + règles d inférence) (p (p Np)) p est un théorème 3 Le problème du model-checking : Entrée : A et φ Sortie : A est un modèle de φ, oui ou non Prof. John MULLINS (École Polytechnique) Introduction au model-checking 23 / 1